Звездное небо издревле притягивало взгляды людей. Лучшие умы всех народов пытались осмыслить наше место во Вселенной, вообразить и обосновать ее устройство. Научный прогресс позволил перейти в деле изучения бескрайних просторов космоса от романтических и религиозных построений к логически выверенным теориям, базирующимся на многочисленном фактическом материале. Теперь любой школьник имеет представление о том, как выглядит наша Галактика согласно последним исследованиям, кто, почему и когда дал ей столь поэтичное название и каково ее предполагаемое будущее.
Происхождение названия
Выражение «галактика Млечный Путь», по сути, тавтология. Galactikos в примерном переводе с древнегреческого означает «молочный». Так жители Пелопоннеса звали скопление звезд в ночном небе, приписывая его происхождение вспыльчивой Гере: богиня не пожелала кормить Геракла, внебрачного сына Зевса, и в гневе разбрызгала грудное молоко. Капли и образовали звездную дорожку, видную в ясные ночи. Спустя столетия ученые открыли, что наблюдаемые светила — лишь ничтожная часть существующих небесных тел. Пространству Вселенной, в котором находится и наша планета, они дали название Галактика или система Млечный Путь. После подтверждения предположения о существовании и других схожих формирований в космосе первый термин стал для них универсальным.
Взгляд изнутри
Научные познания о структуре части Вселенной, включающей Солнечную систему, мало что взяли у древних греков. Понимание того, как выглядит наша Галактика, прошло эволюцию от сферического мироздания Аристотеля до современных теорий, в которых есть место черным дырам и темной материи.
Тот факт, что Земля — элемент системы Млечный Путь, накладывает определенные ограничения на тех, кто пытается выяснить, какую форму имеет наша Галактика. Для однозначного ответа на этот вопрос необходим взгляд со стороны, причем на большом расстоянии от объекта наблюдения. Сейчас наука лишена такой возможности. Своеобразным заменителем стороннего наблюдателя становится сбор данных о структуре Галактики и соотнесение их с параметрами других космических систем, доступных для изучения.
Собранные сведения позволяют с уверенностью говорить, что наша Галактика имеет форму диска с утолщением (балджем) в середине и расходящимися от центра спиральными рукавами. Последние содержат наиболее яркие звезды системы. Диаметр диска составляет более 100 тысяч световых лет.
Структура
Центр Галактики скрыт межзвездной пылью, затрудняющей изучение системы. Справиться с проблемой помогают методы радиоастрономии. Волны определенной длины легко преодолевают любые препятствия и позволяют получить столь желанное изображение. Наша Галактика, по полученным данным, имеет неоднородную структуру.
Условно можно выделить два связанных друг с другом элемента: гало и собственно диск. Первая подсистема обладает следующими характеристиками:
- по форме это сфера;
- центром ее считается балдж;
- наибольшая концентрация звезд в гало характерна для его срединной части, с приближением к краям плотность сильно уменьшается;
- вращение этой зоны галактики довольно медленное;
- в гало в основном встречаются старые звезды с относительно небольшой массой;
- значительное пространство подсистемы заполнено темной материей.
Галактический диск по плотности звезд сильно превышает гало. В рукавах встречаются молодые и даже только формирующиеся
Центр и ядро
«Сердце» Млечного Пути находится в Без его изучения тяжело понять до конца, какова наша Галактика. Название «ядро» в научных трудах либо относится только к центральной области диаметром всего несколько парсек, либо включает в себя балдж и газовое кольцо, считающееся местом зарождения звезд. Далее будет использоваться первый вариант термина.
В центр Млечного Пути с трудом проникает видимый свет: он сталкивается с большим количеством космической пыли, скрывающей то, как выглядит наша Галактика. Фото и изображения, сделанные в инфракрасном диапазоне, значительно расширяют познания астрономов о ядре.
Данные об особенностях излучения в центральной части Галактики натолкнули ученых на мысль, что в сердцевине ядра находится черная дыра. Ее масса более чем в 2,5 млн раз больше массы Солнца. Вокруг этого объекта, по мнению исследователей, вращается еще одна, но менее внушительная по своим параметрам, черная дыра. Современные знания об особенностях структуры космоса позволяют предположить, что подобные объекты находятся в центральной части большинства галактик.
Свет и тьма
Совместное влияние черных дыр на движение звезд вносит свои коррективы в то, как выглядит наша Галактика: оно приводит к специфическим изменениям орбит, нехарактерным для космических тел, например, вблизи Солнечной системы. Изучение этих траекторий и соотношения скоростей движения с удаленностью от центра Галактики легло в основу активно развивающейся сейчас теории о темной материи. Природа ее пока покрыта тайной. Присутствие темной материи, предположительно составляющей подавляющую часть всего вещества во Вселенной, регистрируется лишь по воздействию гравитации как раз на орбиты.
Если рассеять всю космическую пыль, что скрывает от нас ядро, взору откроется поразительна картина. Несмотря на концентрацию темной материи, эта часть Вселенной полна света, излучаемого огромным количеством звезд. На одну единицу пространства их здесь в сотни раз больше, чем вблизи Солнца. Примерно десять миллиардов из них образуют галактический бар, также называемый перемычкой, не совсем обычной формы.
Космический орешек
Изучение центра системы в длинноволновом диапазоне позволило получить подробное инфракрасное изображение. Наша Галактика, как оказалось, в ядре имеет структуру, напоминающую арахис в скорлупе. Этот «орешек» и есть перемычка, включающая в себя более 20 млн красных гигантов (ярких, но менее горячих звезд).
От концов бара расходятся спиральные рукава Млечного Пути.
Работа, связанная с обнаружением «арахиса» в центре звездной системы, не только пролила свет на то, какая наша Галактика по структуре, но и помогла понять, как она развивалась. Изначально в пространстве космоса существовал обычный диск, в котором со временем образовалась перемычка. Под влиянием внутренних процессов бар изменил свою форму и стал походить на орех.
Наш дом на космической карте
Активное происходит как в перемычке, так и в спиральных рукавах, которыми обладает наша Галактика. Название им дали по созвездиям, где были обнаружены участки ответвлений: рукава Персея, Лебедя, Центавра, Стрельца и Ориона. Вблизи последнего (на расстоянии не менее 28 тысяч световых лет от ядра) и находится Солнечная система. Эта область обладает определенными характеристиками, по мнению специалистов, сделавшими возможным возникновение жизни на Земле.
Галактика и наша Солнечная система вместе с ней вращаются. Закономерности движения отдельных составляющих при этом не совпадают. звезд временами то входит в состав спиральных ответвлений, то отделяется от них. Лишь светила, лежащие на границе коротационной окружности, не совершают подобные «путешествия». К ним относится и Солнце, защищенное от мощных процессов, постоянно протекающих в рукавах. Даже незначительное смещение свело бы на нет все остальные преимущества для развития организмов на нашей планете.
Небо в алмазах
Солнце - лишь одно из многих подобных тел, которыми полна наша Галактика. Звезды, одиночные или сгруппированные, общим числом превышают по последним данным 400 млрд. Ближайшая к нам Проксима Центавра входит в систему из трех звезд вместе с чуть более удаленными Альфой Центавра A и Альфой Центавра B. Самая яркая точка ночного неба, Сириус A, находится в Ее светимость по разным данным превышает солнечную в 17-23 раза. Сириус также не одинок, его сопровождает спутник, носящий аналогичное название, но с маркировкой B.
Дети часто начинают знакомиться с тем, как выглядит наша Галактика, с поиска на небе Полярной звезды или Альфы Малой Медведицы. Популярностью своей она обязана положению над Северным полюсом Земли. По светимости Полярная значительно превышает Сириус (почти в две тысячи раз ярче Солнца), но она не может оспаривать права Альфы Большого Пса на звание самой яркой из-за удаленности от Земли (по оценкам от 300 до 465 световых лет).
Типы светил
Звезды отличаются не только светимостью и удаленностью от наблюдателя. Каждой приписывается определенная величина (за единицу берется соответствующий параметр Солнца), степень нагрева поверхности, цвет.
Наиболее внушительными размерами обладают сверхгиганты. Самой большой концентрацией вещества в единице объема отличаются нейтронные звезды. Цветовая характеристика неразрывно связана с температурой:
- красные самые холодные;
- нагрев поверхности до 6 000º, как у Солнца, порождает желтый оттенок;
- белые и голубые светила обладают температурой более 10 000º.
Может меняться и достигать максимума незадолго до ее коллапса. Взрывы сверхновых вносят огромный вклад в понимание, как выглядит наша Галактика. Фото этого процесса, полученные телескопами, поражают.
Собранные на их основе данные помогли восстановить процесс, приведший к вспышке, и спрогнозировать судьбу ряда космических тел.
Будущее Млечного Пути
Наша Галактика и другие галактики постоянно находятся в движении и взаимодействуют. Астрономы установили, что Млечный Путь неоднократно поглощал соседей. Подобные процессы ожидаются и в будущем. Со временем в него войдут Магелланово Облако и еще ряд карликовых систем. Самое же внушительное событие ожидается через 3-5 млрд лет. Это будет столкновение с единственным соседом, который виден с Земли невооруженным глазом. В результате Млечный Путь станет эллиптической галактикой.
Бескрайние просторы космоса поражают воображение. Обывателю трудно осознать масштабность не только Млечного Пути или всей Вселенной, но даже Земли. Однако благодаря достижениям науки мы можем представить себе хотя бы приблизительно, частью какого грандиозного мира являемся.
Изучение характера распределения звезд разных типов в Галактике показало, что наш звездный «остров» имеет сложное строение и состоит из нескольких проникающих друг в друга подсистем.
Молодые и яркие звезды вместе с облаками межзвездного газа и космической пыли образуют плоский диск. Здесь же сосредоточены белые карлики, планетарные туманности и , взрывающиеся как сверхновые. В галактическом диске встречаются звезды и типа нашего , имеющие возраст 5-6 млрд лет и содержащие до 4% тяжелых химических элементов. Плотность звезд заметно убывает от центра диска к его окраинам.
В центральной части галактического диска имеется шарообразное утолщение. Внутри этого утолщения и «прячется» ядро Галактики, которое скрыто от нас облаками межзвездной пыли. Первое проникновение в тайны галактического ядра совершили пулковский астроном Александр Александрович Калиняк (1905-1983) и крымский - Владимир Борисович Никонов. Летом 1948 года в Симеизе совместно с московским физиком Валерьяном Ивановичем Красовским они получили первую фотографию ядра Галактики. Решить эту задачу им помогла инфракрасная астрономия: с помощью электронно-оптического преобразователя (Электронно-оптический преобразователь - фотоэлектрический прибор, который превращает невидимые инфракрасные лучи в лучи, видимые глазом и действующие на фотографическую пластику) невидимое ядро было заснято в инфракрасных лучах, обладающих большем проникающей способностью, чем лучи видимые. Они-то и пробили пылевую завесу.
Но это было только начало штурма галактического ядра. К его исследованиям вскоре подключились радиоастрономы. Они установили, что в диапазоне метровых волн ядро «светит» настолько ярко, что затмевает радиоизлучение спокойного Солнца! Было обнаружено также мощное истечение газа из центральных областей Галактики. По-видимому, в ее ядре происходят исключительно бурные процессы.
Наиболее интересные результаты были получены при исследовании центра нашей Галактики с помощью телескопа АРТ-П, установленного на орбитальной обсерватории «Гранат». Оказалось, что оттуда исходит не только поток радиоволн, но и рентгеновское излучение, и гамма-всплески. Один из самых интересных рентгеновских объектов в этой области неба, хотя далеко не самый яркий, - знаменитый Стрелец А , совпадающий с динамическим центром Галактики. Это и уникальный источник мощного радиоизлучения. Предполагается, что здесь находится сверхмассивная черная дыра с массой около 2 млн солнечных масс. Но гипотеза о сверхмассивной черной дыре, расположенной вблизи центра Галактики, еще не получила веских доказательств в свою пользу.
Плоский диск как бы погружен в сферическую составляющую Галактики , или гало. «Население» гало представлено преимущественно старыми и слабыми по блеску звездами. Здесь мы видим шаровые звездные скопления, красные сверхгиганты. Они разбросаны почти по всему объему сплюснутого гало вплоть до расстояний в 10 тыс. пк (примерно 30 тыс. световых лет) от галактической плоскости. В сферическую подсистему Галактики входят и звезды центрального утолщения - балджа. Газ и пыль в гало практически отсутствуют. Плотность звезд нарастает к центру Галактики . Масса гало приближается к массе диска.
Возраст шаровых скоплений достигает 13-15 млрд лет. Это самые старые образования в Галактике - ровесники самой звездной системы (Сейчас этот возраст, как и возраст всей наблюдаемoй нами Вселенной, пересматривается в сторону уменьшения).
Как видим, в зависимости от возраста звезды по-разному распределены в галактическом пространстве: старые заполняют сферический объем, молодые собраны в тонком диске.
С возрастными различиями звезд связаны различия и в их химическом составе. Наиболее старые светила содержат тяжелых химических элементов (тяжелее гелия) примерно в 100 раз меньше, чем Солнце. Стоит отметить, что для образования планет и зарождения жизни крайне необходимы тяжелые химические элементы. Поэтому вряд ли могли возникнуть планеты у звезд гало.
Важным шагом в изучении Галактики было обнаружение ее вращения вокруг оси, перпендикулярной к средней галактической плоскости. В этом вращении участвуют все звезды диска и газопылевые туманности. Скорость движения звезд вокруг галактического центра по мере удаления oт него сначала возрастает и достигает наибольшего значения (примерно 220 км/с) в окрестностях Солнца, а к краю Галактики медленно убывает. По этой скорости и расстоянию Солнца от центра Галактики , равному 8,5 кик, или около 28 тыс. световых лет, нетрудно вычислить период обращения Солнца. Он составляет около 230 млн. лет и называется галактическим годом.
По периоду обращения Солнца можно приближенно оцепить массу Галактики - диска имеете с гало. Для этого достаточно воспользоваться третьим обобщенным законом Кеплера. Оказалось, что она равна примерно 250 млрд масс Солнца.
Все звезды в Галактике связаны взаимным тяготением. Это служит надежной гарантией устойчивости звездной системы во времени.
Очень многое о строении и структуре нашей Галактики удалось узнать в результате изучения ближайших к нам больших звездных систем, таких как знаменитая Туманность Андромеды , обладающих четко выраженной спиральной структурой. Поэтому было разумно предположить, что наша Галактика тоже имеет спиральные ветви. Но как их распознать в бледном сиянии ? Ведь мы наблюдаем Галактику изнутри. Различные структуры галактического диска проецируются друг на друга, а многое прости скрыто от нас пылевыми облаками. И все-таки данная проблема получила оригинальное решение.
В 1951 году исследователи Вселённой сделали важное открытие: на волне 21 см они обнаружили сильный постоянным радиосигнал и прозвали его «песней водорода». Правда, открытие это ни для кого не явилось неожиданностью. Теоретически было уже предсказано, что нейтральный межзвездный водород должен «звучать» именно на такой волне. И. «вслушиваясь» в мелодию этой «песни», радиоастрономы смогли проникнуть за завесу межзвездной пыли и приступить к изучению структуры галактического диска.
Исследование излучения межзвездного газа в радиолинии водорода 21 см позволило установитъ ею распределение в пространстве. Оказалось, что уплотнения водорода действительно образуют спиральный узор. Постепенно удалось построить спиральную структуру для значительной части Галактики. Спиральные ветви, или рукава, вдоль которых группируются молодые горячие звезды отходят от центрального сгущения. Части трех рукавов хорошо прослеживаются в Орионе, Персее и Стрельце. В одном из узлов Орионова рукава, на краю Галактики, находится . Спиральные ветви закручиваются, то есть направление вращения Галактики совпадает с направлением от конца ветви к галактическому ядру.
Таким образом, если наблюдать нашу Галактику плашмя, то мы увидели бы, как из ее ядра вытекают спиральные ветви. Огибая центральное сгущение, расширяясь и разветвляясь, они теряют свою яркость, и постепенно след их пропадает.
Если ознакомиться с цветной фотографией Галактики, то нельзя не отметить, казалось бы, странное распределение на снимке цветов: ядро желтое, спирали - голубые! Но мы уже знаем, что, чем горячее звезда, тем она голубей. Последнее означает, что наиболее горячие звезды находятся в спиралях.
Газовый галактический диск пронизан силовыми линиями магнитного поля Галактики. Магнитное поле препятствует движению ионизованного газа поперек силовых линий, но не мешает ему распространяться вдоль них.
Магнитное поле не только влияет на движение межзвездного газа. Оно удерживает в Галактике космические лучи, возникающие при вспышках сверхновых. Эти лучи состоят из заряженных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. В основном это протоны (ядра атомов водорода) с добавкой альфа-частиц (ядер гелия) и электронов и ничтожной примесью ядер атомов лития, углерода, азота, кислорода, железа и других более тяжелых элементов А так как силовые линии магнитного поля имеют довольно сложную конфигурацию, то космическим лучам приходится долго «петлять» по всему объему Галактики, прежде чем им удастся вырваться наружу - в межгалактическое пространство. Плотность энергии космических лучей в расчете на единицу объема Галактики примерно равна плотности энергии излучения звезд.
Магнитное поле Галактики тормозит быстрые релятивистские электроны. Это вызывает так называемое синхротронное (нетепловое) радиоизлучение на метровых волнах. Оно приходит к нам буквально со всех сторон неба. В противоположность этому нейтральный водород, сконцентрированный вблизи галактической плоскости, подает свой «радиоголос» только из зоны Млечного Пути.
В последние годы выяснилось, что плоский галактический диск и окружающее eго гало погружены в очень разреженную корону, которая является третьим главным структурным элементом Галактики. Полная масса короны в несколько раз превышает суммарную массу всех звезд Галактики. Она проявляет себя тяготением, но не излучает света, и в ней пе обнаружено ни звезд, ни газовых облаков.
>> Строение нашей галактики
4.2. Движение и столкновения галактик
Разнообразие форм галактик можно рассматривать как проявление действия принципа минимального разнообразия. Оно свидетельствует о вариативности условий формирования и эволюции конкретных строительных блоков Вселенной.
4.2.1. Строение нашей галактики
Наша галактика (Млечный путь) представляет собой спиральный диск с четырьмя закрученными рукавами и с центральным шаровидным утолщением. Толщина диска около 500 св. лет (за такой интервал времени свет пересечет его). Радиус рукавов равен примерно 50 000 св. лет. Центральное утолщение Млечного пути имеет диаметр в 3 000 св. лет и окружено роем (иногда используют термин гало) из примерно 200 шаровых звездных скоплений.
Черная полоса, которую мы видим ночью вдоль Млечного пути (и на фотографиях некоторых других галактик), свидетельствует, что межзвездное пространство в Галактике заполнено гигантскими газопылевыми облаками, поглощающими видимое излучение, но прозрачными для радиоволн и инфракрасного излучения. Именно на основании данных радиоастрономии и спутниковых наблюдений в ИК – диапазоне была установлена четырехрукавная структура нашей галактики и то, что Солнце располагается на расстоянии 25 000 св. лет от центральной части. Один оборот вокруг центра Галактики Солнце совершает примерно за 200 млн. лет, за время его существования оно около 25 раз успело обойти центр Млечного пути. Можно образно сказать, что Солнцу 25 галактических лет!
Скорость вращения отдельных звезд определяют по смещению спектральных линий (по эффекту Доплера). Для нашей Галактики величина массы составляет примерно 100 млрд. солнечных масс. Это, по порядку величины, соответствует массе видимых звезд и газопылевых облаков. В то же время измерения скоростей движения звезд, расположенных на периферии Млечного пути и шаровых скоплений в галактическом гало, показало, что они движутся вокруг центра с такими скоростями , которые не соответствуют оценке полной массы видимого вещества нашей галактики. Несоответствие устраняется в том только случае, если допустить, что существует темное вещество, скрытое от использованных методов наблюдения. Причем масса невидимого вещества на порядок величины превосходит ту массу, которая определяется современными методами астрономии. Физическая природа темного вещества, которое проявляется только в гравитационном взаимодействии, в настоящее время дискуссионная.
В самом центре нашей галактики зарегистрирован источник с экстремально большим энерговыделением. Имея сравнительно небольшие размеры (порядка размеров Солнечной системы), он обладает массой в миллион раз большей, чем Солнце, и светит в широком диапазоне в 100 млн. раз интенсивней. Первая гипотеза о природе такого источника связывала его со вспышкой звездообразования «молодых» звезд. В настоящее время более вероятной причиной считают Черную дыру, образовавшуюся в самом «сердце» Млечного пути.
Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. - Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. - 184 с.
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиВВЕДЕНИЕ
Астрономия - это наука о Вселенной, изучающая движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем. Как и все на свете, астрономия имеет длительную историю, едва ли не большую, чем любая другая наука.
По ходу знакомства с окружающей нас Вселенной возникали новые области познания. Рождались отдельные направления исследований, постепенно складывавшиеся в самостоятельные научные дисциплины. Все они, разумеется, объединялись общими интересами астрономии, но сравнительно узкая специализация внутри астрономии все больше и больше давала себя знать.
В современной астрономии четко выделились следующие разделы:
I. Астрометрия - древнейший раздел астрономии, изучающий положение на небе небесных тел в определенные моменты времени. Где и когда - таков по существу основной вопрос, на который отвечает астрометрия. Очевидно, для ответа нужно знать ту систему координат, относительно которой определяют положение тела, и уметь измерять промежутки времени с помощью равномерного движения.
Порожденная нуждами практики, астрометрия до сих пор остается наиболее "практической", прикладной отраслью астрономии. Измерения времени и местоположения нужны во всех делах человеческих, и поэтому трудно указать обстоятельства, где астрометрия прямо или косвенно не находила бы себе применение.
II. Небесная механика возникла лишь в XVII в. когда стало возможным изучать силы, управляющие движением небесных тел. Главной из этих сил, как известно, является гравитационная сила, т. е. сила тяготения, или, иначе говоря, сила взаимного притяжения небесных тел. Хотя природа гравитации до сих пор не ясна, теория движения небесных тел под действием тяготения разработана очень обстоятельно, как, впрочем, и теория фигур равновесия небесных тел, которые определяются гравитацией и вращением. Обе эти теории, и составляют главное, чем занимается небесная механика.
III. Почти одновременно с небесной механикой развивалась и астрофизика - та отрасль астрономии, которая изучает физическую природу небесных тел. А стало это возможным благодаря изобретению телескопа, который далекое сделал близким и позволил рассмотреть удивительные подробности на небе и небесных телах. Особенно бурное развитие астрофизика испытала с открытием спектрального анализа в XIX в. Стремительный рост астрофизических знаний, невиданно быстрое расширение средств исследования физики космоса продолжается и в наше время.
IV. Звездная астрономия изучает строение и развитие звездных систем. Этот раздел возник на грани XVIII и XIX вв. с классических работ Вильяма и Джона Гершелей. Дальнейшие шаги в познании звездных систем показали, что звездная астрономия немыслима без астрофизики. Подобно тому, как в современной астрономии астрометрия все теснее сближается с небесной механикой, астрофизические методы исследования приобретают все большее значение в исследовании звездных систем.
V. Конкретные данные, добываемые перечисленными выше отраслями астрономии, обобщаются космогонией, которая изучает происхождение и развитие небесных тел. Так как эволюция небесных тел совершается, как правило, за сроки, несравнимо большие, чем время существования человека, решение космогонических проблем - дело очень трудное. Правда, в какой-то мере оно облегчается некоторыми быстропротекающими космическими процессами типа взрывов, которых в последнее время открывают все больше и больше. Однако разгадать их эволюционный смысл далеко не всегда просто.
VI. Космология занимается наиболее общими вопросами строения и эволюции всего, мира в целом. Космологи стараются рассматривать Вселенную в целом, не забывая, конечно, о том, что человеку всегда доступна лишь ограниченная часть бесконечного и неисчерпаемого во всех отношениях Мира. Поэтому космологические "модели" всей Вселенной, т. е. теоретические схемы "Мира в целом", неизбежно страдают упрощенчеством и лишь в большей или меньшей степени отражают реальность. Космология всегда была и остается сферой идеологической борьбы идеалистического и материалистического мировоззрений.
Данная работа посвящена одной из основных частей звездной астрономии - нашей Галактике.
Планета Земля принадлежит Солнечной системе, которая состоит из единственной звезды - Солнца и девяти планет с их спутниками, тысяч астероидов, комет, бесчисленных частичек пыли, и все это обращается вокруг Солнца. Поперечник Солнечной системы составляет примерно 13 109 км.
Солнце и Солнечная система расположены в одном из гигантских спиральных рукавов Галактики, называемой Млечным Путем. Наша Галактика содержит более 100 млрд. звезд, межзвездный газ и пыль, и все это обращается вокруг ее центра. Поперечник Галактики составляет примерно 100 000 световых лет (один миллиард миллиардов километров).
ОТКРЫТИЕ ГАЛАКТИКИ
3вездная астрономия, т.е. раздел астрономии, изучающий строение звездных систем, возникла сравнительно недавно, всего два века назад. Раньше она не могла возникнуть, так как оптические средства исследования Вселенной были еще крайне несовершенны. Правда, высказывались разные умозрительные идеи о строении звездного мира, подчас гениальные. Так, древнегреческий философ Демокрит (460-370 г. до н.э.) считал Млечный Путь скопищем слабосветящихся звезд. Немецкий ученый XVIII в. Иоганн Ламберт (1728-1777) полагал, что звездный мир имеет ступенчатое, иерархическое строение: меньшие системы звезд образуют большие, те, в свою очередь, еще большие и т. д., наподобие известной игрушечной "матрешки". И эта "лестница систем", по Ламберту, не имеет конца, т. е. подобная "структурная" Вселенная бесконечна. Но, увы, все такие идеи не подкреплялись фактами, и звездная астрономия как наука зародилась лишь в трудах Вильяма Гершеля (1738-1822), великого наблюдателя и исследователя звездной Вселенной.
За свою долгую жизнь он отшлифовал для телескопов около 430 телескопических зеркал, и среди них громадное зеркало диаметром 122 см и фокусным расстоянием 12 м. Гершелю стало доступно огромное множество очень слабых звезд, что сразу расширило горизонты познания. Удалось выйти в глубины звездного мира.
Еще в 683 г. н.э. китайский астроном И. Синь измерил координаты 28 звезд и заметил их изменения по сравнению с более древними определениями. Это заставило его высказать догадку о собственном движении звезд в пространстве. В 1718 г. Эдмунд Галлей на основании наблюдений Сириуса, Альдебарана и Арктура подтвердил эту гипотезу. К концу ХVIII в. стали известны собственные движения всего 13 звезд. Но даже по таким крайне бедным данным Гершелю удалось обнаружить движение нашего Солнца в пространстве.
Идея метода Гершеля проста. Когда идешь по густому лесу, кажется, что деревья впереди расступаются, а сзади, наоборот, сходятся. Так и на небе - в той его части, куда летит Солнце вместе с Солнечной системой (созвездие Геркулеса), звезды будут казаться "разбегающимися" в стороны от апекса - точки неба, куда направлен вектор скорости Солнца. Наоборот, в противоположной точке неба (антиапексе) звезды должны казаться сходящимися. Эти эффекты и были выявлены Гершелем, но из-за скудости данных скорость движения Солнца он определил неточно.
Гершель открыл множества двойных, тройных и вообще кратных звезд и обнаружил в них движение компонентов. Это доказывало, что кратные звезды - физические системы, подчиняющиеся закону тяготения. Но главная заслуга Вильяма Гершеля состоит в его исследовании общего строения звездного мира.
Задача была трудной. В ту пору (конец ХУШ в.) ни до одной из звезд не было известно расстояние. Пришлось поэтому ввести ряд упрощающих предположений. Так, Гершель предположил, что все звезды распределены в пространстве равномерно. Там же, где наблюдаются сгущения звезд, в том направлении звездная система имеет большую протяженность. Пришлось также предположить, что все звезды излучают одинаковое количество света, а их видимая звездная величина зависит только от расстояния. И, наконец, мировое пространство Гершель считал абсолютно прозрачным. Все эти три допущения были, как мы теперь знаем, ошибочными, но ничего лучшего во времена Гершеля придумать было невозможно. На звездном небе Гершель выделил 1083 площадки и на каждой из них подсчитывал число звезд данной звездной величины. Предположив затем, что самые яркие звезды наиболее близки к Земле, Гершель принял их расстояние от Земли за единицу и в этих относительных масштабах построил схему нашей звездной системы. При этом Гершель полагал, что его телескопы позволяют видеть самые далекие звезды Галактики.
Важнейшей особенностью небесных тел является их свойство объединяться в системы. Земля и её спутник Луна образуют систему из двух тел. Так как размеры Луны не так уж малы в сравнении с размерами Земли, то некоторые астрономы склонны рассматривать Землю и Луну как двойную систему Юпитер и Сатурн со своими спутниками — примеры более богатых систем. Солнце, девять планет с их спутниками, множество малых планет, комет и метеоров образуют систему более высокого порядка — Солнечную систему. Не образуют ли систем и звезды?
Первое систематическое исследование этого вопроса выполнил во второй половине 18 века английский астроном Вильям Гершель. Он производил в разных областях неба подсчеты звёзд, наблюдаемых в поле зрения его телескопа. Оказалось, что на небе можно наметить большой круг, рассекающий все небо на две части и обладающий тем свойством, что при приближении к нему с любой стороны число звезд, видимых в поле зрения телескопа, неуклонно возрастает и на самом круге становится небольшим. Как раз вдоль этого круга, получившего название галактического экватора, стелется Млечный Путь, опоясывающая небо чуть светящаяся полоса, образованная сиянием неярких далёких звезд. Гершель правильно объяснил обнаруженное им явление тем, что наблюдаемые нами звезды образуют гигантскую звездную систему, которая сплюснута к галактическому экватору.
И все же, хотя вслед за Гершелем исследованием строения нашей звездной системы — Галактики занимались известные астрономы — В. Струве, Каптейн и другие. Само представление о существовании Галактики как обособленной звездной системы являлось до тех пор, пока не были обнаружены объекты, находящиеся вне Галактики. Это произошло только в 20 годы нашего века, когда выяснилось, что спиралеобразные и некоторые другие туманности являются гигантскими звездными системами, находящимися на огромных расстояниях от нас и сравнимыми по строению и размерам с нашей Галактикой.
Выяснилось, что существует множество других звездных систем — галактик, весьма разнообразных по форме и по составу, причем среди них имеются галактики, очень похожие на нашу. Это обстоятельство оказалось очень важным. Наше положение внутри Галактики, с одной стороны, облегчает её исследование, а с другой — затрудняет, так как для изучения строения системы выгоднее её рассматривать не изнутри, а со стороны.
Форма Галактики напоминает круглый сильно сжатый диск. Как и диск, Галактика имеет плоскость симметрии, разделяющую её на две равные части и ось симметрии, проходящую через центр системы и перпендикулярную к плоскостям симметрии. Но у всякого диска есть точно обрисованная поверхность — граница. У нашей звездной системы такой чётко очерченной границы нет, также как нет чёткой верхней границы у атмосферы Земли. В Галактике звёзды располагаются тем теснее, чем ближе данное место к плоскости симметрии Галактики и чем ближе оно к её плоскости симметрии. Наибольшая звёздная плотность в самом центре Галактики. Здесь на каждый кубический парсек приходится несколько тысяч звёзд, т.е. в центральных областях Галактики (в балдже) звёздная плотность во много раз больше, чем в окрестностях Солнца. При удалении от плоскости и оси симметрии звёздная плотность убывает, при чём при удалении от плоскости симметрии она убывает значительно быстрее. По этому если бы мы условились считать границей Галактики те места, где звёздная плотность уже очень мала и составляет одну звезду на 100 пс, то очерченное этой границей тело было бы сильно сжатым круглым диском. Если границей считать область, где звёздная плотность ещё меньше и составляет одну звезду на 10 000 пс, то снова очерченной границей тело будет диском примерно той же формы, но только больших размеров. По этому нельзя вполне определённо говорить о размерах Галактики. Если всё-таки границами нашей звёздной системы считать места, где одна звезда приходится на 1 000 пс пространства, то диаметр Галактики приблизительно равен 30 000 пс, а её толщена 2 500 пс. Таким образом, Галактика — действительно сильно сжатая система: её диаметр — в 12 раз больше толщины.
Количество звёзд в Галактике огромно. По современным данным оно превосходит сто миллиардов, т.е. примерно в 25 раз превосходит число жителей нашей планеты.
Существование газа в пространстве между звёздами впервые было обнаружено по присутствию в спектрах звёзд линий поглощения, вызываемых межзвёздным кальцием и межзвёздным натрием. Эти кальций и натрий заполняют всё пространство между наблюдателем и звездой и со звездой непосредственно не связаны.
После кальция и натрия было установлено присутствие кислорода, калия, титана и других элементов, а также некоторых молекулярных соединений: циана, углеводорода и др.
Плотность межзвёздного газа можно определить по интенсивности его линий. Как и следовало ожидать, она оказалось очень малой. Плотность межзвёздного натрия, например, близ плоскости Галактики, где он наиболее плотен, соответствует одному атому на 10 000 см пространства. Долгое время не удавалось обнаружить межзвёздный водород, хотя в звёздах он самый обильный газ. Это объясняется особенностями физического строения атома водорода и характером поля излучения Галактики. Близ плоскости Галактики один атом водорода приходится на 2-3 см 3 пространства. Это значит, что плоскость всей газовой материи около плоскости Галактики составляет 5-8 * 10 25 см 3 , масса газа и других элементов ничтожно мала.
Распределён межзвёздный газ неравномерно, местами образуя облака с плотностью в десятки раз выше средней, а местами создавая разряжения. При удалении от плоскости Галактики средняя плотность межзвёздного газа быстро падает. Общая его масса в Галактике составляет 0,01-0,02 общей массы всех звёзд.
Звёзды — горячие гиганты, излучающие большое количество ультрафиолетовых квантов, ионизируют вокруг себя межзвёздный водород в значительной области. Размер зоны ионизации в очень большой степени зависит от температуры и светимости звезды. Вне зон ионизации почти весь водород находится в нейтральном состоянии.
Таким образом, все пространство Галактики можно разделить на зоны ионизированного водорода и где водорода неионизирован. Датский астроном Стремгрен теоретически показал, что постепенного перехода от области, где водород практически весь ионизирован, к области, где он нейтрален, нет.
В настоящее время разработан метод определения закона вращения всей массы нейтрального водорода Галактики по совокупности профилей его эмиссионной линии 21 см. Можно полагать, что нейтральный водород в Галактике вращается так же или почти так же, как и сама Галактика. Тогда становится известным и закон вращения Галактики .
Этот метод в настоящее время дает наиболее надежные данные о законе вращения нашей звездной системы, т.е. данные о том, как изменяется угловая скорость вращения системы по мере удаления от центра Галактики к её окраинным областям.
Для центральных областей угловую скорость вращения пока определить не удается. Как видно, угловая скорость вращения Галактики убывает по мере удаления её от центра сначала быстро, а затем медленнее. На расстоянии 8 кпс. от центра угловая скорость равна 0, 0061 в год. Это соответствует периоду обращения 212 млн. лет. В районе Солнца (10 кпс. от центра Галактики) угловая скорость равна 0, 0047 в год, причем период обращения 275 млн. лет. Обычно именно эту величину- период обращения Солнца вместе с окрестными звездами около центра нашей звездной системы- считают периодом вращения Галактики и называют галактическим годом. Но нужно понимать, что общего периода для Галактики нет, она вращается не как твердое тело. В районе Солнца скорость равна 220 км/с. Это значит, что в своём движении вокруг центра Галактики Солнце и окрестные звёзды пролетают в секунду 220 км.
Период вращения Галактики в районе Солнца равен приблизительно 275 млн. лет, а области, расположенные от центра Галактики дальше Солнца, совершают оборот медленнее: период вращения растет на 1 млн. лет при увеличении расстояния от центра Галактики приблизительно на 30 пс.
Кроме газа в пространстве между звездами имеются пылинки. Размеры их очень малы и располагаются они на значительных расстояниях друг от друга; среднее расстояние между пылинками- соседями составляет около ста метров. Поэтому средняя плотность пылевой материи Галактики примерно в 100 раз меньше общей массы газа и в 5000- 10 000 раз меньше общей массы всех звезд. Поэтому динамическая роль пыли в Галактике весьма незначительна. В Галактике пылевая материя сильнее поглощает голубые и синие лучи, чем желтые и красные.
В некотором отношении туман, в который погружена Галактика, существенно отличается от тумана, который мы наблюдаем на Земле. Отличие состоит в том, что вся масса пылевой материи имеет крайне неоднородную структуру. Она не распределена гладким слоем, а собрана в отдельные облака различной формы и размеров. Поэтому поглощение света в Галактике носит пятнистый характер.
Пылевая и газовая материи в Галактике обычно перемешаны, но пропорции их в различных местах различны. Встречаются газовые облака, в которых пыль преобладает. Для обозначения рассеянной в Галактике материи газа, пыли и смеси газа и пыли- употребляется общий термин « диффузная материя» .
Форма Галактики несколько отличается от диска тем, что в центральной части её имеется утолщение, ядро . Это ядро, хотя в нём сосредоточено большое число звёзд, долгое время не удавалось наблюдать, потому, что около плоскости симметрии Галактики наряду со светящейся материей звёзд имеются огромные темные облака пыли, поглощающие свет летящих за ними звёзд. Между Солнцем и центром Галактики расположено большое количество таких темных пылевых облаков различной формы и толщины, и они закрывают от нас ядро Галактики. Однако разглядеть ядро Галактики все-таки удалось.
В 1947 году американские астрономы Стеббинс и Уитфорд использовали совместно с телескопом фотоэлемент, чувствительный к инфракрасным лучам, и сумели обрисовать контуры ядра Галактики. В 1951 году советские астрономы В.И.Красовский и В.Б.Никонов получили фотографии ядра Галактики в инфракрасных лучах. Ядро Галактики оказалось не очень большим, его диаметр составлял около 1300пс. Но все-таки присутствие ядра в центральной области Галактики утолщает эту область, форму Галактики теперь можно сравнивать не просто с диском, а с дискообразным колесом, имеющим в центральной части утолщение — втулку.
Центр ядра Галактики — это центр всей нашей звездной системы. Материя в центре Галактики имеет высокую температуру и находится в состоянии бурного движения.
Внутри огромной звёздной системы — Галактики многие звёзды объединены в системы меньшей численности. Каждая из этих систем может рассматриваться как коллективный член Галактики.
